李曉錦 閆海軍 藺歡歡 馬軍 陳彪

基金項(xiàng)目：陜西省技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)專項(xiàng)（2022QFY06-02）

第一作者簡(jiǎn)介：李曉錦（1990-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)榍鍧嵞茉础?/p>

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.012

摘? 要：甲醇清潔燃料及配套設(shè)備在民用炊事行業(yè)的應(yīng)用，是發(fā)展甲醇清潔燃料擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域成熟可行的推廣技術(shù)。該文開發(fā)出一種新型甲醇燃料分裝式儲(chǔ)罐，首先選取6種不同橡膠內(nèi)膽材料浸泡甲醇液體一定時(shí)間，結(jié)果表明其抗甲醇溶脹作用由好到差依次為丁睛橡膠、氫化丁睛橡膠、三元乙丙橡膠、硅橡膠、聚氨酯橡膠、F橡膠，最終選取丁腈橡膠作為內(nèi)膽材料，其次對(duì)甲醇分裝式儲(chǔ)罐釋放流量穩(wěn)定性測(cè)試，結(jié)果表明該儲(chǔ)罐在惰性氣體驅(qū)動(dòng)下將儲(chǔ)罐中液體完全釋放，但伴隨著流量釋放存在衰減。最后將儲(chǔ)罐與灶具適配性測(cè)試，結(jié)果表明與傳統(tǒng)電磁泵驅(qū)動(dòng)效果相當(dāng)，完全正常運(yùn)行，可以作為甲醇儲(chǔ)罐一種多元化選擇。

關(guān)鍵詞：甲醇燃料；民用炊事；儲(chǔ)罐；自驅(qū)動(dòng)；性能測(cè)試

中圖分類號(hào)：TK-9? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）13-0048-04

Abstract： The application of methanol clean fuel and its supporting equipment in civil cooking industry is a mature and feasible promotion technology in the field of expanding application of methanol clean fuel. In this paper， a new type of separately packed methanol fuel storage tank is developed. Firstly， six different rubber liner materials are selected to soak methanol liquid for a certain time. The results show that the anti-methanol swelling effect is in the following order： butadiene binder rubber， hydrogenated butadiene butadiene rubber， EPDM rubber， silicone rubber， polyurethane rubber， F rubber. Finally， nitrile rubber is selected as the inner tank material. Secondly， the release flow stability of methanol separate storage tank is tested. The results show that the liquid in the tank is completely released under the drive of inert gas， but attenuates with the flow release. Finally， the adaptability of the storage tank and the stove is tested， and the results show that the driving effect is similar to that of the traditional electromagnetic pump， and it can be used as a diversified choice for methanol storage tank.

Keywords： methanol fuel; civil cooking; storage tank; self-drive; performance test

能源與環(huán)境問題已成為影響中國(guó)乃至世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展重要因素，發(fā)展甲醇清潔燃料產(chǎn)業(yè)既能解決能源問題又能解決環(huán)保問題，是未來清潔能源發(fā)展道路首選[1-5]。甲醇清潔燃料及配套設(shè)備在民用炊事行業(yè)的應(yīng)用，是發(fā)展甲醇清潔燃料擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域成熟可行的推廣技術(shù)[6]。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相關(guān)配套設(shè)施的完善，標(biāo)準(zhǔn)化工作的完成，符合當(dāng)前國(guó)情國(guó)策和社會(huì)需求，也會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[7]。

由于甲醇燃料不能像液化石油氣等燃料那樣被加壓壓縮，所以甲醇儲(chǔ)罐也不能像液化石油氣罐那樣使燃料自動(dòng)從罐中輸送至燃具。目前甲醇燃料采用常壓儲(chǔ)罐存儲(chǔ)，使用燃料泵將甲醇燃料增壓后供燃燒裝置使用。在商業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)熱力燃燒領(lǐng)域使用這種方式是可行的，也是安全可靠的。但是，在將甲醇燃料用于民用時(shí)，運(yùn)用甲醇燃料泵把常壓燃料桶中的燃料泵入民用熱水器或甲醇灶具就存在技術(shù)障礙和安全性問題[8-9]。

為解決上述問題，亟需開發(fā)一種新型民用分裝式甲醇儲(chǔ)罐，替代原有甲醇燃料儲(chǔ)存方式，采用的技術(shù)是儲(chǔ)罐自驅(qū)動(dòng)輸送技術(shù)。自驅(qū)動(dòng)輸送技術(shù)是指先將甲醇液體定量充裝入鋼瓶，然后再向鋼瓶與內(nèi)膽之間充裝惰性氣體，使鋼瓶?jī)?nèi)的充裝壓力達(dá)到合格。這樣依靠惰性氣體形成壓力可將甲醇燃料輸送至燃具，該系統(tǒng)下儲(chǔ)罐屬于常用容器。

本文通過甲醇燃料分裝式儲(chǔ)罐內(nèi)膽材料的研究，確定一種優(yōu)良橡膠內(nèi)膽材料，具備耐甲醇溶脹性能。再對(duì)儲(chǔ)罐和橡膠內(nèi)膽材料進(jìn)行設(shè)計(jì)與加工組裝，對(duì)甲醇分裝式儲(chǔ)罐流量輸送穩(wěn)定性以及搭配民用灶具適用性進(jìn)行測(cè)試。

1? 甲醇燃料分裝式儲(chǔ)罐內(nèi)膽材料研究

本試驗(yàn)選取6種常用橡膠材料，分別為丁睛橡膠（NBR）、F橡膠（FPM）、三元乙丙橡膠（EPDM）、硅橡膠（MVO）、氫化丁睛橡膠（HNBR）以及聚氨酯橡膠（PU）。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1690—2010《硫化橡膠或熱塑性橡膠耐液體試驗(yàn)方法》通過測(cè)定橡膠試樣在甲醇液體中常溫浸泡不同時(shí)間后的質(zhì)量和外徑變化率來對(duì)比甲醇對(duì)各種橡膠溶脹性的影響[10]，測(cè)試周期28 d。圖1為試驗(yàn)橡膠28 d后質(zhì)量和外徑最終變化率的柱狀圖（增大與減小都為變化，所以取其絕對(duì)值進(jìn)行對(duì)比）。

圖1? 試驗(yàn)橡膠最終變化率

從圖1可以看出，試驗(yàn)28 d后，結(jié)合質(zhì)量與外徑變化率可以得出以下結(jié)論，總體抗甲醇溶脹作用由好到差依次為丁睛橡膠、氫化丁睛橡膠、三元乙丙橡膠、硅橡膠、聚氨酯橡膠、F橡膠。其中，F(xiàn)橡膠、聚氨酯橡膠、氫化丁睛橡膠外徑增大；丁睛橡膠、硅橡膠、三元乙丙橡膠外徑縮小。本研究甲醇分裝式儲(chǔ)罐內(nèi)膽選用丁腈橡膠。

2? 甲醇分裝式儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)

基于國(guó)家完全納入《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》適用范圍的壓力容器應(yīng)同時(shí)具備下列3個(gè)條件：壓力P≥0.1 MPa；容積V≥0.025 m3；介質(zhì)為氣體，液化氣體或最高工作溫度高于等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體[11]。本項(xiàng)目開發(fā)出甲醇分裝式儲(chǔ)罐為常壓容器（圖2），旨在安全高效使用。橡膠內(nèi)膽設(shè)計(jì)：內(nèi)膽充滿11 kg，換算容積13.75 L。

圖2? 甲醇燃料分裝式儲(chǔ)罐

3? 甲醇分裝式儲(chǔ)罐流量輸送穩(wěn)定性測(cè)試

3.1? 流量輸送最小驅(qū)動(dòng)壓力測(cè)試

為了使甲醇分裝式儲(chǔ)罐充裝惰性氣體以及充裝滿甲醇燃料后仍能保持為常壓容器，首先以初始驅(qū)動(dòng)壓力為0.01 MPa進(jìn)行測(cè)試，充裝11 kg甲醇燃料后儲(chǔ)罐壓力變?yōu)?.08 MPa，驗(yàn)證在惰性氣體自驅(qū)動(dòng)下，甲醇燃料是否可以釋放完成（表1）。

表1? 甲醇燃料分裝式儲(chǔ)罐參數(shù)

甲醇燃料充裝完成后，將分裝式儲(chǔ)罐閥門開到最大時(shí)，釋放出甲醇燃料質(zhì)量變化如圖3所示，最終可以流出10.89 kg，達(dá)到充裝甲醇的99%，幾乎是全部流出，得出在初始驅(qū)動(dòng)壓力0.01 MPa、工作最大壓力0.08 MPa，可以滿足將甲醇燃料全部釋放完成。

圖3? 甲醇儲(chǔ)罐流量釋放趨勢(shì)

3.2? 儲(chǔ)罐輸送最小流量測(cè)試

通過調(diào)節(jié)甲醇儲(chǔ)罐角閥大小，共測(cè)試5組儲(chǔ)罐輸送流量數(shù)據(jù)如圖4所示，1—5組分裝式儲(chǔ)罐釋放平均流量分別為6.39、3.67、3.16和1.72、0.16 kg/h，得出甲醇儲(chǔ)罐目前可以控制最小流量為0.16 kg/h。

圖4? 甲醇儲(chǔ)罐釋放最小流量

測(cè)試過程中心釋放流量會(huì)出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，如圖5所示，達(dá)不到穩(wěn)定控制，流量衰減依次為37%、39%、45%、60%、94%，得出甲醇儲(chǔ)罐流量越小時(shí)，衰減程度越嚴(yán)重。

圖5? 甲醇儲(chǔ)罐流量衰減度

3.3? 測(cè)試結(jié)論

本測(cè)試得出通過自驅(qū)動(dòng)方式可以將儲(chǔ)罐內(nèi)甲醇燃料釋放完全，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4? 甲醇分裝式儲(chǔ)罐與民用灶具適配性測(cè)試

4.1? 測(cè)試流程

分別對(duì)甲醇商用灶具一、二、三、四檔控制時(shí)，灶具運(yùn)行15 min，記錄甲醇消耗量。將灶具電磁泵接短路后，調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐閥門，從灶具運(yùn)行起記錄為最小檔，再調(diào)節(jié)4個(gè)檔位，灶具運(yùn)行15 min，記錄甲醇消耗量。

4.2? 結(jié)果分析

4.2.1? 2種方式下灶具用甲醇消耗量

如圖6所示，使用電磁泵驅(qū)動(dòng)時(shí)，一檔和二檔控制下甲醇消耗量基本接近、三檔和四檔控制下甲醇消耗量基本接近，說明電磁泵驅(qū)動(dòng)時(shí)甲醇灶具可以實(shí)現(xiàn)小火和大火。使用惰性氣體自驅(qū)動(dòng)時(shí)，通過調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐閥門，二檔和三檔控制下甲醇消耗量基本接近，說明甲醇灶具可以實(shí)現(xiàn)小火、中火、大火3個(gè)檔位。另外自驅(qū)動(dòng)下小火狀態(tài)下甲醇消耗量較電磁泵驅(qū)動(dòng)下少，說明自驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)更小火控制；兩者驅(qū)動(dòng)方式下大火狀態(tài)甲醇消耗量基本一致。

圖6? 2種方式下灶具用甲醇消耗量

4.2.2? 自驅(qū)動(dòng)控制下甲醇灶具甲醇消耗量

使用惰性氣體自驅(qū)動(dòng)時(shí)，甲醇灶具運(yùn)行15 min，以2 min 30 s為一個(gè)單位記錄甲醇消耗量，共計(jì)6組數(shù)據(jù)。由圖7可見，小火狀態(tài)下，2 min 30 s、5 min、7 min 30 s、10 min、12 min 30 s、15 min時(shí)，甲醇消耗量分別為0.11、0.09、0.07、0.05、0.04、0.03 kg，依次降低，結(jié)合灶具運(yùn)行時(shí)火焰出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)、一上一下情況，可以說明在小火狀態(tài)下惰性氣體驅(qū)動(dòng)流量不穩(wěn)定。中火和大火狀態(tài)下，每個(gè)時(shí)間段甲醇消耗量波動(dòng)在0.01 kg左右，可以說明在中火和大火時(shí)，甲醇灶具運(yùn)行穩(wěn)定，可以正常運(yùn)行。

圖7? 自驅(qū)動(dòng)控制下灶具用甲醇消耗量

4.2.3? 不同驅(qū)動(dòng)方式甲醇灶具運(yùn)行噪音

從如圖8所示，電磁泵驅(qū)動(dòng)時(shí)甲醇灶具一檔與二檔、三檔和四檔噪音相近，與甲醇消耗量趨勢(shì)一致。惰性氣體驅(qū)動(dòng)時(shí)一檔噪音最小、二檔和三檔噪音相近，四檔噪音最大，與甲醇消耗量趨勢(shì)一致。二者對(duì)比，一檔時(shí)自驅(qū)動(dòng)運(yùn)行時(shí)灶具噪音較電磁泵較小，二檔、三檔、四檔噪音相近，由此可見，自驅(qū)動(dòng)一檔運(yùn)行時(shí)具備優(yōu)勢(shì)。

（a）? 電磁泵驅(qū)動(dòng)時(shí)甲醇灶具運(yùn)行噪音

（b）? 自驅(qū)動(dòng)時(shí)甲醇灶具運(yùn)行噪音

圖8? 不同驅(qū)動(dòng)方式甲醇灶具運(yùn)行噪音

4.2.4? 灶具燃燒煙氣CO含量

對(duì)2種驅(qū)動(dòng)方式下甲醇灶具燃燒煙氣排放中CO含量測(cè)試，如圖9（a）所示，在電磁泵驅(qū)動(dòng)下，甲醇灶具一檔、二檔、三檔和四檔控制時(shí)燃燒煙氣中CO含量相當(dāng)，均在10～20 ppm。如圖9（b）所示，在惰性氣體驅(qū)動(dòng)時(shí)，甲醇灶具在一檔時(shí)燃燒煙氣中CO含量較其他檔位高10 ppm左右，分析由于一檔時(shí)甲醇分裝式儲(chǔ)罐流量驅(qū)動(dòng)不穩(wěn)定造成，導(dǎo)致燃燒過程火焰會(huì)出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象。

（a）? 電磁泵驅(qū)動(dòng)下甲醇灶具燃燒煙氣中CO

（b）? 惰性氣體自驅(qū)動(dòng)灶具燃燒煙氣中CO

圖9? 不同驅(qū)動(dòng)方式甲醇灶具煙氣中CO

4.2.5? 測(cè)試結(jié)論

通過對(duì)電磁泵和惰性自驅(qū)動(dòng)2種方式下甲醇灶具運(yùn)行工況進(jìn)行測(cè)試，得出甲醇分裝式儲(chǔ)罐與灶具匹配可以正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)分檔控制，甲醇消耗量、噪音與電磁泵驅(qū)動(dòng)相當(dāng)。惰性氣體自驅(qū)動(dòng)在甲醇商用灶具運(yùn)行方面可以替代電磁泵驅(qū)動(dòng)。

5? 結(jié)論

本文通過對(duì)甲醇分裝式儲(chǔ)罐內(nèi)膽材料、儲(chǔ)罐釋放流量穩(wěn)定性以及與灶具適配性測(cè)試，得出如下結(jié)論：

1）甲醇分裝式儲(chǔ)罐內(nèi)膽材料選用丁腈橡膠，其耐甲醇溶脹性最優(yōu)。

2）通過惰性氣體自驅(qū)動(dòng)可以將儲(chǔ)罐中甲醇燃料釋放完全，但控制在小流量時(shí)衰減比較嚴(yán)重。

3）該甲醇分裝式儲(chǔ)罐與灶具匹配性使用可以滿足正常使用。

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